溫之緒,駱志偉,楊金波,趙宏志,夏 歡,段卓琳

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 北京 100076)

0 引 言

特種電驅(qū)車輛是增程式電動(dòng)汽車領(lǐng)域的重要研究方向之一,相較于燃油汽車,其優(yōu)勢(shì)在于污染小、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高,具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景[1]。增程式發(fā)電機(jī)組是增程式電動(dòng)汽車的主要能量來(lái)源,其控制方式普遍采用功率流管理策略。這種能量管理策略通過(guò)對(duì)多個(gè)不同能量來(lái)源間的動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配,使得動(dòng)力系統(tǒng)在滿足功率輸出目標(biāo)的同時(shí),燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性也能保持優(yōu)良狀態(tài)[2]。然而,功率流管理策略對(duì)動(dòng)力電池高度依賴,需要依靠讀取到的電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)值做出下一步?jīng)Q策,一旦動(dòng)力電池出現(xiàn)問(wèn)題,增程器的功率響應(yīng)速度無(wú)法與負(fù)載功率準(zhǔn)確匹配,發(fā)電機(jī)組無(wú)法輸出穩(wěn)定的直流電能,車輛將無(wú)法正常行駛。

為規(guī)避動(dòng)力電池存在的風(fēng)險(xiǎn),采用恒壓發(fā)電方式以保證輸出穩(wěn)定。這種控制方式通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)控制器輸出的直流母線電壓進(jìn)行整流穩(wěn)壓,從而向負(fù)載側(cè)供應(yīng)穩(wěn)定的直流電能。根據(jù)控制對(duì)象的不同,穩(wěn)壓控制可以簡(jiǎn)單分類為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制[3]、電壓電流雙閉環(huán)控制[4]以及電壓角[5]/負(fù)載角[6]控制方式。在工業(yè)生產(chǎn)中常用的控制方式是原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和電壓電流雙閉環(huán)控制。原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式通常與不控整流相結(jié)合,其穩(wěn)壓精度較差,常常需要借助斬波電路輔助穩(wěn)壓,適合于穩(wěn)壓精度要求不高的場(chǎng)合;電壓電流雙閉環(huán)控制通常與PWM可控整流相結(jié)合,負(fù)載側(cè)電流諧波含量少、直流母線電壓精度高,并且可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),在多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

然而,傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制方式在抗負(fù)載擾動(dòng)性能方面能力有限,其輸出電壓隨負(fù)載變化而產(chǎn)生波動(dòng),穩(wěn)壓精度較差,不適合直接應(yīng)用于恒壓發(fā)電系統(tǒng)。因此,為增強(qiáng)穩(wěn)壓效果,一些先進(jìn)的控制算法如滑?？刂芠7]、模糊控制[8]、模型預(yù)測(cè)控制[9]等被提出,部分學(xué)者亦考慮通過(guò)擾動(dòng)觀測(cè)器等得到負(fù)載變化信息并前饋補(bǔ)償至電流環(huán)以減小負(fù)載擾動(dòng)[10]。這些方法為控制系統(tǒng)穩(wěn)壓精度提升提供了思路,但引入過(guò)多參數(shù)不適合應(yīng)用于可靠性需求較高的場(chǎng)合。

文獻(xiàn)[11]利用有源阻尼控制提升永磁同步電機(jī)魯棒性與穩(wěn)態(tài)性能。有源阻尼理論一般應(yīng)用于帶LC濾波器驅(qū)動(dòng)電機(jī)或風(fēng)電變流器網(wǎng)側(cè)接口的電流諧波抑制,由于電路的LCL結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生固有頻率的諧振現(xiàn)象[12],需要額外增加電阻來(lái)減弱這一擾動(dòng)的影響,但電阻的增加意味著損耗的增加,影響系統(tǒng)效率,因此改用控制算法等效增加的虛擬電阻,即在電流環(huán)內(nèi)增加一個(gè)控制環(huán)路,等效加入電阻后的系統(tǒng)傳遞函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電流諧波擾動(dòng)的抑制。這種控制方式需要引入的參數(shù)較少,結(jié)合PI控制可以保證系統(tǒng)具有較高的可靠性。

綜上,本文參考有源阻尼在濾波器中對(duì)諧波擾動(dòng)的抑制作用,考慮在原有雙閉環(huán)基礎(chǔ)上加入補(bǔ)償環(huán)路,在電壓環(huán)與電流環(huán)之間形成內(nèi)環(huán),通過(guò)控制環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)減小負(fù)載波動(dòng)帶來(lái)的影響,這種方式對(duì)系統(tǒng)的改動(dòng)較小,同時(shí)能夠優(yōu)化穩(wěn)壓控制效果。由于補(bǔ)償環(huán)路的加入增加了試湊法調(diào)節(jié)參數(shù)的難度,結(jié)合發(fā)電機(jī)組變參數(shù)需求,考慮采用基于免疫的粒子群算法(以下簡(jiǎn)稱IPSO)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)并仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,這種方法能夠進(jìn)一步提升輸出電壓的穩(wěn)壓精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,智能算法的加入使得系統(tǒng)魯棒性也得到提升。

1 恒壓發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 增程式發(fā)電機(jī)組構(gòu)成

增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)電機(jī)組由發(fā)動(dòng)機(jī)(原動(dòng)機(jī))、發(fā)電機(jī)以及發(fā)電機(jī)控制器組成,這部分由機(jī)組控制器作為上位機(jī)操控。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,再經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)控制器整流為直流電輸出至負(fù)載側(cè),當(dāng)發(fā)電機(jī)組選擇恒壓控制方式作為發(fā)電模式時(shí),動(dòng)力電池可以不啟用,以應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池突發(fā)故障的情況。由于發(fā)電機(jī)控制器替代了動(dòng)力電池作為電源,為保證車輛能夠正常行駛,直流電壓的波動(dòng)應(yīng)盡量小,即要求具有較高的穩(wěn)壓精度。

圖1 增程式電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖

負(fù)載側(cè)主要包括增程式電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。直流電能經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)控制器逆變?yōu)槿嘟涣麟娔茯?qū)動(dòng)電機(jī),將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立

在控制方案設(shè)定之前,需要先建立永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),需要完成三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)解耦控制。

考慮內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼電阻,得到定子電壓方程:

(1)

式中:uA、uB、uC為三相定子電壓;iA、iB、iC為三相定子電流;Rs為定子電阻;ψA、ψB、ψC為三相定子磁鏈。

為分析發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能,將定子電壓方程在d,q坐標(biāo)系下表示:

(2)

定子磁鏈方程:

(3)

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

(4)

傳動(dòng)方程:

(5)

式中:ψf為永磁體磁鏈;ωe為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度;Ld、Lq分別為直、交軸電感值;p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.3 環(huán)路補(bǔ)償式恒壓發(fā)電原理

環(huán)路補(bǔ)償式恒壓發(fā)電策略控制框圖如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),切割磁感線產(chǎn)生三相交流電能,經(jīng)PWM整流橋整流得到直流電能,電容濾波后供給到負(fù)載側(cè)。與傳統(tǒng)功率流發(fā)電方式不同,恒壓發(fā)電控制策略中發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩在控制系統(tǒng)中提供了電磁轉(zhuǎn)矩的限幅值,而實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩值根據(jù)電壓調(diào)節(jié)器輸出得到。

圖2 環(huán)路補(bǔ)償式恒壓發(fā)電策略控制框圖

根據(jù)已有數(shù)據(jù),在MATLAB中完成發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線的繪制,如圖3所示。根據(jù)外特性曲線,可以得到1 800 r/min條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩最大值約500 N·m。由于發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下,此時(shí)轉(zhuǎn)速為正,輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為負(fù),因此電磁轉(zhuǎn)矩輸出限幅下限值應(yīng)設(shè)置為-500 N·m,從而確保電磁轉(zhuǎn)矩不超出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的范圍。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線

此時(shí),電流誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器,再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換輸入到SVPWM模塊,進(jìn)而得到控制整流橋開(kāi)關(guān)器件通斷的PWM控制信號(hào),在電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)增大或減小PWM占空比,維持負(fù)載側(cè)電壓值在給定值附近,形成電壓閉環(huán),實(shí)現(xiàn)恒壓發(fā)電。

2 恒壓發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

對(duì)于交、直軸電流環(huán),其設(shè)計(jì)思路基本一致,以交軸電流環(huán)為例進(jìn)行設(shè)計(jì),電流環(huán)輸入為交軸電流信號(hào)的給定值,輸出為交軸電流實(shí)際值。結(jié)合式(2)和式(3),忽略動(dòng)態(tài)項(xiàng),可將電機(jī)模型近似:

記電流環(huán)的采樣周期為Ts,延時(shí)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)為td,并令td=Ts,PWM環(huán)節(jié)的增益值取1,將延時(shí)環(huán)節(jié)與PWM環(huán)節(jié)合并,可以得到q軸電流環(huán)控制框圖,如圖4所示。

圖4 q軸電流環(huán)控制框圖

令τi=Kpi/Kii,將PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)化為零極點(diǎn)形式:

(6)

求出電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

(7)

進(jìn)而求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù):

(8)

為減少諧波含量,一般采用較高的開(kāi)關(guān)頻率,因此采樣周期Ts的取值足夠小,可以忽略高次項(xiàng),因此得到電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù):

(9)

式中:Tci為q軸電流環(huán)的時(shí)間常數(shù)。

結(jié)合二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式,得到:

(10)

取典型I型系統(tǒng)最佳阻尼比ξ=0.707,從而有:

(11)

根據(jù)零極點(diǎn)對(duì)消原則設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,有:

(12)

結(jié)合式(11)、式(12),得到電流調(diào)節(jié)器參數(shù):

(13)

結(jié)合式(9)、式(13),計(jì)算出電流環(huán)時(shí)間常數(shù):

Tci=4Ts

(14)

2.2 電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

電壓調(diào)節(jié)器是穩(wěn)壓系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓較快的跟隨電壓給定值變化,對(duì)于負(fù)載變化也具備抗擾作用。電壓調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定了發(fā)電機(jī)允許的最大電磁轉(zhuǎn)矩。

已知電流環(huán)傳遞函數(shù),可以推導(dǎo)出電壓外環(huán)控制框圖,如圖5所示。

圖5 電壓外環(huán)控制框圖

電壓環(huán)輸入為直流母線電壓給定值,輸出為電壓實(shí)際值。環(huán)路補(bǔ)償?shù)囊朐黾恿宿D(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán),因此在設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器之前,需要先得到內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)。

根據(jù)式(4),MTPA模塊的傳遞函數(shù):

PWM整流器兩側(cè)的瞬時(shí)功率近似相等,得到:

(15)

將式(15)與式(2)聯(lián)立,忽略電機(jī)定子電阻損耗,得到交軸電流到負(fù)載側(cè)電流的傳遞函數(shù):

綜上,計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù):

令τv=Kpv/Kiv,則電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

同樣依據(jù)零極點(diǎn)對(duì)消原則設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器,有:

最終得到電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

(16)

3 恒壓發(fā)電系統(tǒng)仿真與特性分析

3.1 仿真模型搭建及結(jié)果分析

依據(jù)圖2的原理圖,搭建環(huán)路補(bǔ)償式恒壓發(fā)電系統(tǒng)Simulink仿真模型。負(fù)載側(cè)等效為純電阻負(fù)載,電機(jī)輸入為原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以固定步長(zhǎng)離散系統(tǒng)仿真,模型參數(shù)選擇如表1所示。

表1 永磁同步發(fā)電機(jī)主要參數(shù)選擇

分別采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)恒壓控制與環(huán)路補(bǔ)償式恒壓控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),轉(zhuǎn)矩輸出限幅值設(shè)置為[-20 N·m,500 N·m],仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為1 s,在0.5 s時(shí)突加13.3 kW負(fù)載,得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果表明,傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制方式下電壓跌落5.5 V,恢復(fù)時(shí)間0.18 s;而采用環(huán)路補(bǔ)償控制方式電壓跌落降至2.1V,電壓波動(dòng)明顯減小,穩(wěn)壓精度提升,恢復(fù)時(shí)間減小到0.1 s,突加負(fù)載擾動(dòng)后的響應(yīng)速度也得到了提升。

3.2 系統(tǒng)頻率特性分析

傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)方式下,電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下:

(17)

結(jié)合式(16)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),在MATLAB中進(jìn)行系統(tǒng)頻率特性分析對(duì)比,分別取電流環(huán)時(shí)間常數(shù)τi=0.192 3、電壓環(huán)時(shí)間常數(shù)τv=0.9,通過(guò)試湊法得到電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpv=8、Kiv=110,得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 環(huán)路補(bǔ)償加入前后開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖對(duì)比

加入環(huán)路補(bǔ)償后,由幅頻特性曲線可以看出,系統(tǒng)低頻段開(kāi)環(huán)增益明顯增大,表明低頻段電壓的穩(wěn)態(tài)誤差更小,具有更強(qiáng)的跟隨性能;由相頻特性可以看出,系統(tǒng)相位裕度由84.9°降至79°,在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí),加快響應(yīng)速度。

4 基于IPSO參數(shù)整定

在恒壓發(fā)電系統(tǒng)中,PI參數(shù)整定效果直接影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)壓精度及響應(yīng)時(shí)間等系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。采用傳統(tǒng)試湊方法整定PI參數(shù),所需時(shí)間成本較高,且難以滿足發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中參數(shù)變化的需要。考慮到環(huán)路補(bǔ)償?shù)囊?提高了參數(shù)整定的難度,有必要采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)自整定,使系統(tǒng)快速達(dá)到目標(biāo)性能。

本文采用粒子群算法(以下簡(jiǎn)稱PSO)全局優(yōu)化電壓外環(huán)、電流環(huán)以及環(huán)路補(bǔ)償參數(shù),在此基礎(chǔ)上引入免疫算法,解決PSO存在的局部最優(yōu)問(wèn)題,使其快速收斂于全局最優(yōu)值?；贗PSO參數(shù)自整定的流程圖如圖8所示。

圖8 基于IPSO參數(shù)自整定的流程圖

考慮到系統(tǒng)性能優(yōu)化目標(biāo)為電壓波動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間,同時(shí)考慮超調(diào)影響,將評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)置如下:

(18)

在MATLAB/Simulink平臺(tái)下完成算法驗(yàn)證,將圖5模型運(yùn)行結(jié)果放入工作區(qū),經(jīng)算法優(yōu)化后將最優(yōu)參數(shù)輸入各個(gè)PI控制器,并重新在模型中完成運(yùn)行,檢驗(yàn)算法優(yōu)化效果。參數(shù)選取迭代次數(shù)10,種群規(guī)模數(shù)100,慣性權(quán)重設(shè)置為1,Kpv、Kiv、Kpi、Kii、Klc對(duì)應(yīng)位置最大值設(shè)置為[20,400,200,1 500,5]。分別采用試湊法、PSO及IPSO進(jìn)行參數(shù)整定,并將結(jié)果進(jìn)行比較,其結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同參數(shù)整定方法結(jié)果比較

不同整定方式下系統(tǒng)性能如表2所示。

表2 不同整定方式下系統(tǒng)性能

由圖9及表2數(shù)據(jù)可以看出:傳統(tǒng)的試湊法整定參數(shù)穩(wěn)壓精度較低,響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),并且有不小的超調(diào)量,電壓超調(diào)約20 V會(huì)給負(fù)載帶來(lái)較大危害;PSO相較于試湊法,在參數(shù)優(yōu)化后系統(tǒng)性能有了一定改善,但全局優(yōu)化隨機(jī)性較強(qiáng),可能陷入局部最優(yōu);加入IPSO后系統(tǒng)性能得到較大改善,基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)雙閉環(huán)恒壓發(fā)電方式下電壓波動(dòng)大、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題,本文參考有源阻尼抑制電流諧波擾動(dòng)的方式,在雙閉環(huán)基礎(chǔ)上加入環(huán)路補(bǔ)償,并采用工程設(shè)計(jì)方式完成發(fā)電機(jī)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。隨后在Simulink平臺(tái)搭建仿真驗(yàn)證本文方法的有效性,結(jié)合頻率特性分析環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)引入對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果表明,環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)對(duì)提升電壓精度,抑制負(fù)載擾動(dòng)上具有較大作用,下一步可以考慮將該方式應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中。

對(duì)于環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)引入對(duì)發(fā)電機(jī)控制器參數(shù)整定工作帶來(lái)的復(fù)雜性,考慮加入IPSO實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定,通過(guò)對(duì)比試湊法、PSO、IPSO三種方式下參數(shù)整定后的系統(tǒng)性能可得,IPSO對(duì)系統(tǒng)性能的提升最大,且能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)自整定,滿足發(fā)電機(jī)組變參數(shù)需求。